專利名稱：雙波長泵激的波導(dǎo)放大器的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及放大器。尤其是，本發(fā)明涉及使用雙波長泵激的光放大器，它通過重新增加亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)來減少中間終態(tài)能級(jí)上的穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)。可調(diào)節(jié)第二泵激的功率和/或波長來改變放大器增益譜的形狀。
2.技術(shù)背景光放大器通過一種稱為受激發(fā)射的過程來增加光波的振幅，在這個(gè)過程中，作為輸入信號(hào)提供的光子誘發(fā)光學(xué)材料中高能級(jí)的電子，向低能級(jí)躍遷。在這過程中，材料發(fā)射具有與初始光子相同頻率、方向和極化的光子。此兩光子再激發(fā)另外兩個(gè)光子的發(fā)射，以此類推。這結(jié)果是相干光的放大。當(dāng)光子能量幾乎等于原子躍遷的能量差時(shí)，受激發(fā)射就發(fā)生了。是故，這過程在由原子譜線寬度決定的一個(gè)或幾個(gè)頻帶中產(chǎn)生放大。
盡管目前使用許多不同的光放大器結(jié)構(gòu)，但光纖結(jié)構(gòu)是十分普遍的，尤其是在光通信的應(yīng)用中。光纖放大器一般由諸如玻璃等光學(xué)材料與稀土摻雜劑結(jié)合而構(gòu)成，并構(gòu)造成光波導(dǎo)。目前流行的是摻稀土的石英光纖，部分是因?yàn)樗鼈儗文?dǎo)波光學(xué)提供好處。可把光纖放大器做得能在波長的一個(gè)廣大的范圍內(nèi)工作，這是由基質(zhì)和稀土摻雜劑的原子性質(zhì)所決定。
通信技術(shù)和信息技術(shù)的驚人發(fā)展對尋找新的光纖材料引起濃厚的興趣，所述新材料將增加信號(hào)信道帶寬，并使工程師們能開發(fā)出新的頻帶。
稀土材料遭遇到的一個(gè)困難與材料固有的多聲子低衰減率有關(guān)。希望在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)中有長的壽命，因?yàn)樗兄谑芗ぐl(fā)射。然而，如果該特殊材料在中間的終能級(jí)上顯示出類似的長壽命，則是不希望的。
作為例子，摻鐠的硫?qū)倩锊Ａб话憔哂?G4(亞穩(wěn)態(tài)能級(jí))的壽命約為300μs，輻射的量子效率大于50％。但是，此多聲子低衰減度的結(jié)果是，3H5能級(jí)(1.3μm躍遷的中間終能級(jí))具有相對較長的壽命。在硫?qū)倩锊Ａе校?H5能級(jí)的典型壽命值是在100μs的范圍以內(nèi)。
在用這種材料制造的光放大器中，以1020nm供給的泵能量可把該材料中的原子從3H4基能態(tài)激發(fā)到1G4亞穩(wěn)態(tài)。輸入的光信號(hào)在這個(gè)激發(fā)態(tài)上與該材料相互作用，通過受激發(fā)射產(chǎn)生光子，從而使亞穩(wěn)態(tài)的下遷到3H5中間終能級(jí)上。盡管電子處在中間的3H5能級(jí)上，但它們不能再利用。只有在它們衰減回到基能態(tài)3H4之后，它們才能重新泵激到亞穩(wěn)能級(jí)1G4，再在此能級(jí)上進(jìn)一步加入受激發(fā)射過程。
因此，當(dāng)此材料用作光纖放大器時(shí)，3H5能級(jí)的長壽命具有不利的影響。3H5的粒子數(shù)降低了放大器的效率，并傾向于使峰值工作波長從所要的波長上移開。
上面所提到的困難不是摻鐠(Pr3r)的硫?qū)倩锊Ａ?dú)有；相反，它也存在于其它低、中的聲子能量玻璃中，包括摻銩(Tm3+)或鈥(Ho3+)的硫?qū)倩?、鹵化物、亞碲酸鹽、鍺酸鹽、鉛酸鹽和鎵酸鹽玻璃光纖中的任何一種。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一種放大器和泵激技術(shù)，它能克服與某些摻稀土諸材料所顯示出中間中止能級(jí)的長壽命相關(guān)的困難。
本發(fā)明的光放大器的各種實(shí)施例在所附的權(quán)利要求書中予以陳述。更準(zhǔn)確地說，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，光放大器包括一含有稀土摻雜劑的光基質(zhì)的光波導(dǎo)?；|(zhì)和摻雜劑限定了基能態(tài)。放大器還包括耦合到這波導(dǎo)的第一泵。這第一泵以第一波長把先能提供給波導(dǎo)。這第一泵在基能態(tài)之上建立起亞穩(wěn)能態(tài)。耦合到光波導(dǎo)的輸入引入待要放大的光信號(hào)，此此放大由來自亞穩(wěn)能態(tài)的光子的受激發(fā)射加以產(chǎn)生。這就在第一亞穩(wěn)能態(tài)之下和在基能態(tài)之上建立起一個(gè)終能態(tài)。光放大器還包括光耦合到波導(dǎo)的第二泵，它以第二波長把光能提供給波導(dǎo)。這第二泵通過減少終能態(tài)的粒子數(shù)來重新增加第一亞穩(wěn)能態(tài)的粒子數(shù)。最后所得到的光放大器結(jié)構(gòu)適合用于許多不同的光纖材料，包括摻鐠的硫?qū)倩锊ＡЧ饫w，尤其是硫?qū)倩锊ＡВＡеT如諸如硫?qū)倩?，鹵化物，亞亞碲酸鹽，鍺酸鹽，鉛酸鹽和鎵酸鹽的一類玻璃。
為了對本發(fā)明及其目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)有一個(gè)較為完整的理解，參閱下面的詳細(xì)說明和附圖。本發(fā)明另外的特性和優(yōu)點(diǎn)在隨后的詳細(xì)描述中陳述。
應(yīng)該知道，前面的一般描述和下面的詳細(xì)描述這都僅僅是本發(fā)明的示范性內(nèi)容，并且打算如權(quán)利要求所提出的那樣提供用以了解本發(fā)明本質(zhì)和特性的全貌或框架。附圖被包括在內(nèi)以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步了解且在此引入，并構(gòu)成本說明書的一個(gè)部分。這些圖說明了本發(fā)明的各種特性和各種實(shí)施例，并與描述一起起到說明本發(fā)明的原理與操作的作用。
附圖描述

圖1是說明雙波長泵激光放大器的示意圖；圖2是本發(fā)明使用摻鐠的硫?qū)倩锊ＡУ氖痉缎詫?shí)施例的能量狀態(tài)圖；圖3是1G4-3H5的發(fā)射截面與來自3H5終能量態(tài)的受激態(tài)吸收(ESA)截面的比較圖；圖4是放大器效率作為信號(hào)波長函數(shù)的曲線族圖，說明改變3H5能級(jí)粒子數(shù)對放大器增益曲線和效率產(chǎn)生的作用。
圖5是最大1G4-3H5反轉(zhuǎn)與泵激波長的關(guān)系曲線圖，它在決定摻鐠硫?qū)倩锊ＡЧ饫w例子的第二泵激波長是有用的；圖6是放大器增益作為信號(hào)波長函數(shù)的曲線族圖，它在了解變換泵激功率來改變放大器工作帶寬的作用是有用的；圖7是使用摻銩玻璃的第二示范實(shí)施例的能級(jí)圖；圖8是對各種低聲子能量玻璃，以強(qiáng)度作為波長函數(shù)的一系列波形的比較圖；圖9是對一多組分鍺酸鹽玻璃，從3H4-3F9的發(fā)射截面與從3F4-3H4的激發(fā)態(tài)吸收(ESA)過程的比較圖；圖10是說明在多組分鍺酸鹽玻璃中通過改變第二泵激功率或第二泵激波長來變換3H4到3F4粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之作用的曲線族圖；圖11是說明最大3H4-3F4反轉(zhuǎn)作為泵激波長函數(shù)的圖，它在決定圖10中所說明多組分鍺酸鹽玻璃的最佳第二泵激波長是有用的。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)雙泵技術(shù)(詳述于下)克服了與由某種摻稀土材料所顯示中間能級(jí)的長壽命相關(guān)聯(lián)的困難。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，本技術(shù)采用工作于初級(jí)工作波長下的第一泵，以及在以下所設(shè)計(jì)的波長下工作的第二泵，所設(shè)計(jì)的波長使中間終能級(jí)上的穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)減少，而同時(shí)使亞穩(wěn)能級(jí)的粒子數(shù)重新增加。我們也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)泵相對的功率和/或波長經(jīng)控制，可增強(qiáng)放大器的特性，賦與該技術(shù)一個(gè)重要的附加好處。
參考圖1，它示出了光放大器的一個(gè)示范性的實(shí)施例。這較佳實(shí)施例使用一光波導(dǎo)10，例如它可以具有內(nèi)纖芯和外包層的光纜，其中內(nèi)纖芯為第一光學(xué)材料，而外包層的材料不同。用作內(nèi)纖芯和外包層的材料具有不同的折射率，致使光能量在內(nèi)纖芯與外包層的界面上反射，使能量通過波導(dǎo)傳播。
正如將在下面較全面地說明那樣，光波導(dǎo)包括含有稀土摻雜劑的基質(zhì)材料，最好是玻璃。為此目的，可以采用各種不同的光學(xué)材料和稀土摻雜劑。在下面討論了幾個(gè)例子，而另一些例子和材料對本技術(shù)領(lǐng)域中的科技人員將是顯而易見的。
光放大器具有起初級(jí)泵作用的第一泵P1，用于在光學(xué)材料內(nèi)激發(fā)稀土離子的粒子數(shù)，把它們從基能態(tài)提升到亞穩(wěn)能態(tài)。亞穩(wěn)能態(tài)的特征是比較長的熒光壽命，通常大于50μs。換言之，提升到亞穩(wěn)能態(tài)的離子有足夠的時(shí)間保留在那個(gè)狀態(tài)，使得受激發(fā)射成為可能。放大器包括可以引入光輸入信號(hào)的輸入口12。輸入口12把輸入光信號(hào)耦合到光波導(dǎo)10，從而通過來自亞穩(wěn)能態(tài)的光子受激發(fā)射而產(chǎn)生放大。
正如在下面提出的例子中將作較全面地說明的那樣，作為在放大過程中使用的結(jié)果，用作光波導(dǎo)的光學(xué)材料顯示出激發(fā)離子從亞穩(wěn)態(tài)下遷到終能態(tài)的性質(zhì)。終能態(tài)在亞穩(wěn)能態(tài)之下，但在基能態(tài)之上，通常稱作4級(jí)躍遷。處于終能態(tài)的離子經(jīng)過一些衰減時(shí)間后最終衰減到基能態(tài)，其中所述衰減時(shí)間由光學(xué)材料的組分決定，并強(qiáng)烈依賴于基質(zhì)材料的聲子能量。
雖然激活離子最終將從終能態(tài)衰減到基能態(tài)，但是，它們占據(jù)終能態(tài)的有限時(shí)間會(huì)顯著地影響放大器的性能。由于當(dāng)前處于終能級(jí)的離子會(huì)在信號(hào)波長上產(chǎn)生損耗，所以它們可能會(huì)降低總的放大器效率。此損耗又可能大大地移動(dòng)放大器的工作波長(例如，見圖6和10)，且會(huì)不利地影響放大器的噪聲系數(shù)。在大多數(shù)情況下，在中間終能級(jí)上激活離子數(shù)不受泵P1之波長的影響。中間終能級(jí)的壽命由相關(guān)基質(zhì)玻璃中激活離子的熒光壽命所支配。
為解決這個(gè)問題，光放大器包括第二泵P2。第二泵P2經(jīng)特殊選擇，工作在對中間終能級(jí)上的電子起作用的波長上，以把它們提升到(也許通過上面的能級(jí))能再一次對放大過程有貢獻(xiàn)的亞穩(wěn)能態(tài)。
因此，光放大器使用一雙波長泵結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)泵單元的工作波長和功率被設(shè)計(jì)成能夠控制亞穩(wěn)能級(jí)和終能級(jí)上激活離子的相對粒子數(shù)。初級(jí)泵P1影響基能態(tài)的粒子數(shù)；而第二泵P2則影響中間終能態(tài)的粒子數(shù)。
正如前面所述，本發(fā)明可利用各種不同的光學(xué)材料來完成。一般來說，雙泵光放大器對以下光學(xué)材料最為有效，即它們具有在基能態(tài)之上的終能態(tài)(所謂的4能級(jí)系統(tǒng))，具有相當(dāng)長的壽命(例如，約為亞穩(wěn)能態(tài)壽命的同一數(shù)量級(jí))。
雙波長泵結(jié)構(gòu)在控制放大器的工作波長和帶寬方面提供了許多的靈活性。通過控制各泵的相對功率和/或波長，就能控制亞穩(wěn)能態(tài)和終能態(tài)下的粒子數(shù)，從而改變放大器的工作參數(shù)。最重要的是，在構(gòu)造好放大器單元之后，放大器工作特性的靈活性程度大多了。這在波分復(fù)用(WDM)應(yīng)用中很重要，在波分復(fù)用應(yīng)用中，通過控制泵P1和P2可以補(bǔ)償添、卸信道對放大器的影響。
下面將提出使用中雙波長泵激放大器的幾個(gè)例子。
例1雙波長泵激的摻鐠硫?qū)倩锊ＡЧ饫w放大器這例子是采用摻鐠硫?qū)倩锊ＡЧ饫w制成光波導(dǎo)10來完成的。圖2示出這光學(xué)材料的能級(jí)系統(tǒng)?；軕B(tài)3H4表示為能級(jí)1。亞穩(wěn)態(tài)1G4表示為能級(jí)5，而終能態(tài)3H5表示為能級(jí)2。
在本實(shí)施例中，泵P1是在約1020nm波長下工作的，它起到把電子從基態(tài)泵激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)1G4的作用。光纖放大器利用了1G4-3H5的躍遷，它對應(yīng)于中心約為1300nm電信窗，該電信窗存在于目前安裝的電信光纖基礎(chǔ)中。因此本實(shí)施例很容易應(yīng)用于目前的光纖系統(tǒng)。
在低聲子能量玻璃中，諸如硫?qū)倩?，特別在硫化物玻璃中，1G4的壽命約為300μs，量子輻射效率一般大于50％。量子效率定義為光輸出(按光子數(shù)測量)對光輸入的比。例如，在本例中，我們測量了被泵激光子與激發(fā)光子之比。這些玻璃系統(tǒng)中的多聲子低衰減率使3H5能級(jí)壽命相對較長。在硫化物玻璃中，3H5能級(jí)的壽命一般在100μs的范圍內(nèi)。
當(dāng)這些玻璃用作光纖放大器時(shí)，3H5的長壽命具有不利的影響。1G4-3H5發(fā)射截面，與3H5-1G4的激發(fā)態(tài)吸收(ESA)的截面一起示于圖3。改變3H5能級(jí)粒子數(shù)對放大器增益曲線及效率的結(jié)果影響示于圖4(要指出的是，反轉(zhuǎn)是1G4能級(jí)離子數(shù)與3H5能級(jí)離子數(shù)的比)。確切的3H5能級(jí)離子數(shù)將強(qiáng)烈地依賴于放大器的工作條件，但是增加3H5離子數(shù)的凈效應(yīng)是較低的增益效率(dB/mW)，同時(shí)還把峰值工作波長移向較長的波長。
由于峰值工作波長(即，信號(hào))理論上應(yīng)盡可能接近1300nm，所以這兩個(gè)效應(yīng)對放大器的實(shí)用都是不利的。
增加第二泵P2，把3H5的粒子數(shù)泵回到1G4亞穩(wěn)態(tài)，可以糾正上面的問題。最佳第二泵激波長示于圖5。在圖中我們給出了1G4到3H5最大反轉(zhuǎn)與第二泵激波長的關(guān)系圖。為了獲得較大的1G4到3H5的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(即，大于80％)，泵激波長應(yīng)在約1280nm或稍小一點(diǎn)。對于使用半導(dǎo)體激光器的直接泵激，這是一個(gè)方便的波長。
對于在不同的條件下工作的放大器的期望增益曲線的幾個(gè)例子示于圖6。通過簡單地改變第二泵激光器的功率或波長，從而改變3H5能級(jí)的粒子數(shù)，我們可以很容易改變放大器的增益譜。
因此，圖6說明了我們可以用第二泵P2來控制放大器增益譜的形狀。通過只是利用具有不同1280nm泵激率的光纖段，還可用其擴(kuò)大光放大器的有用工作波長。再者，雙泵結(jié)構(gòu)通過改變第一和第二泵的功率比，提供了改變放大器增益曲線之幅值的能力，而增益形狀固定。因此，雙泵光放大器是完全適于實(shí)現(xiàn)無傾斜放大器功能(即，在整個(gè)放大器的波長范圍，有基本上相同的增益)，例如象在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中那樣。即，由添或卸信道造成的放大器增益形狀的變化(以至信號(hào)波長數(shù)的變化)，可以通過簡單地改變泵單元P1和P2的相對功率或波長來補(bǔ)償。
例2約在1500nm工作的寬帶摻銩放大器本實(shí)施例利用摻銩的光纖放大器。初級(jí)泵源波長可約為800nm，也可用別的泵激波長。此泵源泵激離子，并從基態(tài)(3H6)使3H4亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)增加。基于3H4到3F4能級(jí)的躍遷，在波長約1500nm處獲得放大(見圖10)。由于3F4能級(jí)有長的熒光壽命，所以在該激發(fā)態(tài)上將存在有效百分?jǐn)?shù)的銩離子。約在1440nm工作的第二泵用來控制3H4到3F4的相對電子數(shù)。通過適當(dāng)選擇相對泵激功率和波長，并由此選擇相對粒子數(shù)，可以用該放大器獲得寬而平坦的增益譜。
在此描述的具體例子中，實(shí)現(xiàn)了中心在1500nm、具有40nm寬增益譜的多組分鍺酸鹽玻璃光纖放大器。然而，本發(fā)明可被應(yīng)用到一些低/中聲子能量的玻璃。通過仔細(xì)選擇泵激率，可以獲得對于30dB峰值增益具有約2dB波動(dòng)的平坦增益譜。本實(shí)施例也可應(yīng)用于WDM系統(tǒng)。
摻銩玻璃的能級(jí)系統(tǒng)示于圖7、在文獻(xiàn)中大量的著作研究了制作在3H4-3F4躍遷的銩光纖放大器的可能性。大多數(shù)研究集中ZBLAN玻璃系統(tǒng)上。依靠此躍遷的有效放大受阻于終能級(jí)(3F4)相對于亞穩(wěn)能級(jí)(3H4)有較長的壽命。表1例示了一些摻銩玻璃的熒光壽命，圖8示出了熒光光譜的例子。在所有情況下，3H4能級(jí)的壽命均小于3F4能級(jí)的壽命，而用這些玻璃中的任何一種制作的光纖放大器都將遭受到同樣問題。
表1
當(dāng)作為光纖放大器工作時(shí)，這些壽命使得當(dāng)在800nm被泵激時(shí)，3H4穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子數(shù)將小于3F4能級(jí)粒子數(shù)。針對解決此問題的先前償試是通過在1064nm處增頻泵激(即，把離子從一激發(fā)態(tài)泵激到高更能級(jí)，即，更高能)或與其它稀土離子共摻來降低3F4穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)。這兩種方案都有明顯的弊端。
然而，不要降低3H4能級(jí)的粒子數(shù)，我們建議利用由此激發(fā)離子粒子數(shù)引起的激發(fā)態(tài)吸收(ESA)過程來獲得在1480-1520nm波長范圍內(nèi)的寬而平坦的增益譜。圖9示出了對多組分鍺酸鹽玻璃測得的從3H4到3F4的發(fā)射截面，以及從3F4到3H4的激發(fā)態(tài)吸收過程(ESA)。
我們使用這基質(zhì)玻璃僅作為一個(gè)例子，特別是，因?yàn)樗哂袑挼臒晒庾V。然而，我們的雙泵方案將與任何低或中的聲子能量玻璃一起工作。低或中的聲子能量玻璃是最大聲子能量小于1000cm-1的玻璃，而最大聲子能量是由銪聲子側(cè)帶分光儀測量得到的。
圖10示出了用多組分鍺酸鹽制成的光纖放大器的增益譜計(jì)算結(jié)果，示出了對應(yīng)于不同泵激率，3H4到3F4粒子數(shù)反轉(zhuǎn)變化。如圖所示，約為50％的相對粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供了從1480延伸到1520nm的寬范圍平坦增益譜。對未來的WDM系統(tǒng)，這是一個(gè)潛在有用的工作波長，它是未被摻鉺光纖放大器所覆蓋的波長范圍。而且這個(gè)40nm波長范圍對應(yīng)于目前安裝的遠(yuǎn)距離光纖基礎(chǔ)中低損耗傳輸窗口的短波長極限。
3H4到3F4的最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)作為第二泵激波長的函數(shù)示于圖11。這曲線指出要獲得50％反轉(zhuǎn)的合適泵激波長約為1440nm，這是目前的半導(dǎo)體激光技術(shù)很容易獲得的泵激波長。另一可供選擇的是，將喇曼位移光纖激光器用作源。在我們的例子中，初級(jí)泵源是800nm，但是可以使用其它波長，包括波長約為700nm(3F3能級(jí))，1200nm(3H5能級(jí))以及1600nm(3F4能級(jí))。盡管沒有直接增加3H4的粒子數(shù)，但后兩種波長可以使3F4終能級(jí)的粒子數(shù)增加，第二泵激光器可以從3F4能級(jí)使4H4亞穩(wěn)能級(jí)的粒子數(shù)增加。
通過改變1440nm和800nm的相對泵激功率，要制作具有無傾斜放大器功能的放大器是可能的。(由800nm的初級(jí)泵激率控制的)增益的大小現(xiàn)在可以獨(dú)立于放大器增益形狀而得以控制(通過調(diào)節(jié)1440mm泵激率)。這種器件在WDM系統(tǒng)中具有許多潛在的應(yīng)用，在這個(gè)器件中，(例如由添、卸信道帶來的)放大器增益形狀的變化可以通過簡單地改變兩個(gè)泵激光器的相對泵激率加以補(bǔ)償。在本例中考慮了另一種摻銩放大器的雙波長泵激方案。前面的例子使用了一個(gè)初級(jí)泵激波長，它利用例如約為800nm或700nm(其中，Δλ是±50nm而較佳的是±25nm)的泵激波長，直接把銩離子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)(3H4)能級(jí)。但是，也可以考慮用一初級(jí)泵激波長把銩離子激發(fā)到終能級(jí)(3F4)的另一個(gè)方案。用此泵單元(波長和/或功率)通過控制激發(fā)銩離子的總數(shù)，控制了在放大器內(nèi)增益的總量。然后利用第二泵激波長(例如象前例那樣使用1460nm)，控制亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)和終能級(jí)的相對粒子數(shù)，從而獲得放大器的最佳增益形狀和峰值波長。就是說，改變第二泵的波長可以改變在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)與中間能級(jí)上的離子相對比例，從而導(dǎo)致增益譜的變化(即，在增益曲線和位置的變化)。例如，這個(gè)示于圖10。對于摻銩放大器的例子，其初級(jí)泵激波長可以大約為1200nm，進(jìn)入3H5能級(jí)，再從這個(gè)能級(jí)發(fā)生快速的多聲子衰退，使銩離子到達(dá)3F4終能級(jí)。也可用直接激發(fā)3F4能級(jí)的第二方案，在該情況下，初級(jí)泵的波長可能在1500nm到1700nm的范圍。在這兩種情形下，都可改變初級(jí)泵激波長和/或功率，來控制終能級(jí)的粒子數(shù)，而第二泵單元?jiǎng)t控制亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)和終能級(jí)之間的相對粒子數(shù)。
例3摻鈥的硫?qū)倩锓糯笃麝P(guān)于鈥的能級(jí)圖示于圖12，而對于摻鈥硫?qū)倩锊ＡЩ|(zhì)，從5I5能級(jí)到終能級(jí)5I7的熒光譜則示于圖13。波長約為1650nm的熒光波長可能會(huì)在未來的遠(yuǎn)距離電信系統(tǒng)中具有應(yīng)用。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)和終能級(jí)的一般熒光壽命分別為1.5ms和3ms。因此，躍遷是自終止的，而在例如900nm單一波長泵激下，5I7能級(jí)存在大量離子數(shù)將對光纖放大器性能產(chǎn)生不利影響。引入例如約為1600nm的第二泵激波長，重新增加亞穩(wěn)能級(jí)5I5的粒子數(shù)并控制終能級(jí)5I7，可以明顯改善放大器的性能。可以改變第二泵激波長和/或功率，以控制和優(yōu)化放大器的增益。
有鑒于前面所述，將會(huì)了解，可用本發(fā)明的雙波長泵激技術(shù)來控制在各種不同光學(xué)材料中中止能級(jí)的粒子數(shù)。因此，本技術(shù)在實(shí)現(xiàn)種種不同的光放大器方面是有用的。說明書的企圖是本發(fā)明如在所附權(quán)利要求及它們的相等內(nèi)容所規(guī)定的那樣覆蓋了這發(fā)明的修改內(nèi)容和改制物。
權(quán)利要求
1.一種光放大器，其特征在于，它包括光波導(dǎo)，它具有含稀土摻雜劑的光學(xué)基質(zhì)，所述基質(zhì)和摻雜劑確定了能量基態(tài)；第一泵，它以第一波長提供光能到所述波導(dǎo)中，在所述基能態(tài)上建立一亞穩(wěn)能態(tài)，所述第一泵與所述波導(dǎo)光學(xué)耦合；輸入端，它與所述光波導(dǎo)耦合，所述輸入端引入要放大的光信號(hào)，所述放大由來自所述亞穩(wěn)能態(tài)的受激發(fā)射光子產(chǎn)生，從而在所述第一亞穩(wěn)能態(tài)之下、基能態(tài)之上建立一終能態(tài)；以及第二泵，它與所述波導(dǎo)光學(xué)耦合，第二泵以第二波長提供光能給所述波導(dǎo)，并通過減少所述終能態(tài)的粒子數(shù)而進(jìn)行操作，使所述第一亞穩(wěn)能態(tài)的粒子數(shù)重新增加。
2.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述基質(zhì)是最大聲子能量小于1000cm-1的低至中聲子能量玻璃。
3.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述光波導(dǎo)是摻鐠的硫?qū)倩锊ＡЧ饫w。
4.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述亞穩(wěn)能態(tài)是熒光壽命大于100μs的1G4能級(jí)。
5.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述第一波長是約1020nm的預(yù)定波長。
6.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述終能態(tài)是3H5能級(jí)。
7.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述第二波長是約1280nm的預(yù)定波長。
8.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，從所述亞穩(wěn)能態(tài)到所述終能態(tài)的躍遷對應(yīng)于在1.3μm波長帶中的放大信號(hào)波長。
9.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述第一和第二泵中至少有一個(gè)泵是半導(dǎo)體激光器。
10.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，還包括泵激功率或波長控制機(jī)構(gòu)，它與所述第二泵耦合，用于控制所述第二泵的功率或波長，從而通過控制終態(tài)能量的粒子數(shù)來控制光放大器的帶寬或工作波長。
11.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述光波導(dǎo)是最大聲子能量小于1000cm-1的摻銩的低到中聲子能量玻璃。
12.如權(quán)利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述亞穩(wěn)能態(tài)是熒光壽命大于50μs的3H4能級(jí)。
13.如權(quán)利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述第一波長是約為700、800、1060或1200nm的預(yù)定波長。
14.如權(quán)利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述終能態(tài)是3F4能級(jí)。
15.如權(quán)利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述第二波長是約為1440nm的預(yù)定波長。
16.如權(quán)利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述玻璃基質(zhì)是鍺酸鹽、鋁酸鹽、碲化物、鹵化物、鎵酸鹽或硫?qū)倩锊Ａе械娜我环N。
17.如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，波導(dǎo)是摻鈥的硫?qū)倩锊ＡА?br> 18.如權(quán)利要求17所述的光放大器，其特征在于，放大器工作于5I5-5I7躍遷時(shí)的約1650nm波長。
19.如權(quán)利要求17所述的光放大器，其特征在于，放大器在兩個(gè)不同的波長處被泵激，其中一個(gè)波長來自約650，760，900，1200，1800nm，第二個(gè)則在波長約為1500nm處，用以控制相關(guān)的亞穩(wěn)能級(jí)和終能級(jí)的粒子數(shù)。
20.一種放大器，其特征在于，包括光波導(dǎo)，它具有含稀土摻雜劑的玻璃基質(zhì)，所述基質(zhì)和摻雜劑確定了基能態(tài)；第一泵，它與所述波導(dǎo)耦合，所述泵以第一波長把先光能提供給到所述波導(dǎo)，以在所述基能態(tài)之上建立一終能態(tài)；第二泵，它與所述波導(dǎo)光耦合，所述第二泵以第二波長把光能提供給到所述波導(dǎo)，以在所述終能態(tài)之上建立一亞穩(wěn)能態(tài)；輸入端，它耦合到所述光波導(dǎo)，用于引入要放大的光信號(hào)，所述放大是由從所述亞穩(wěn)能態(tài)到所述終能態(tài)的受激發(fā)射聲子而產(chǎn)生的；并且所述第二泵以所述第二波長把光能提供給到所述波導(dǎo)，并通過減少所述終能態(tài)的粒子數(shù)來進(jìn)行工作，使所述第一亞穩(wěn)能態(tài)的粒子數(shù)重新增加。
21.如權(quán)利要求20所述的光放大器，其特征在于，還包括泵激功率或波長控制機(jī)構(gòu)，它耦合到所述第二泵，用于控制所述第二泵的功率或波長，從而通過控制終態(tài)能量的粒子數(shù)來控制光放大器的帶寬或工作波長。
全文摘要
雙波長泵激方案控制了終態(tài)對亞穩(wěn)態(tài)的相對粒子數(shù)。舉例描述了摻鐠硫?qū)倩锊ＡШ透鞣N摻銩玻璃。調(diào)節(jié)相關(guān)泵激功率或波長，可以控制放大器的增益譜，使放大器可用于在包括波分復(fù)用系統(tǒng)的各種不同光系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01S3/17GK1399809SQ00815041
公開日2003年2月26日 申請日期2000年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月29日
發(fā)明者B·G·艾特肯, B·N·塞門森 申請人:康寧股份有限公司